感知和认知基础课件

感知和认知基础本章课程目标了解人的感知模型掌握认知过程与交互设计原则掌握概念模型及对概念模型的认知了解分布式认知2认知心理学认知心理学研究：人们如何获得外部世界信息，信息在人脑内如何表示并转化为知识，知识怎样存储又如何用来指导人们的注意和行为。3感知和认知人的感知即通过人体器官和组织进行人与外部世界的信息的交流和传递认知是人们在进行日常活动时发生于头脑中的事情，它涉及思维、记忆、学习、幻想、决策、看、读、写和交谈等人的感知是认知的基础，认知是将感知获取的信息综合运用认知分为经验认知和思维认知认知过程是相互联系的，单纯的一个认知过程是非常少见的41.感知通道五种基本感知的绝对阈限:“视觉:在黑暗而空气清新的夜晚,人们可以看到30英里(48000千米)外的一只烛光(1英里≈1.6千米);听觉:在安静的环境中,人能够听到20英尺远处的手表滴答声(1英尺=0.3米);嗅觉:人能嗅到1公升空气中散布的1/10万毫克的人造麝香的气味;味觉:人可尝出9升水中放一茶匙糖的甜味;触觉:人可感到蜂蜜翅膀距脸颊1厘米处落下。视觉感知视觉是人与周围世界发生联系的最重要的感觉通道。外界80%的信息都是通过视觉得到的，因此视觉显示是人机交互系统中用的最多的人机界面。视觉感知可以分为两个阶段：受到外部刺激接收信息阶段和解释信息阶段。视觉感知特点：一方面，眼睛和视觉系统的物理特性决定了人类无法看到某些事物；另一方面，视觉系统进行解释处理信息时可对不完全信息发挥一定的想象力。进行人机交互设计需要清楚这两个阶段及其影响，了解人类真正能够看到的信息。6眼睛的构造7视觉活动始于光，眼睛接收光线，转化为电信号。光能够被物体反射，并在眼睛的后部成像。眼睛的神经末梢将它转化为电信号，传递给大脑。视干细胞和视锥细胞的功能区别8视干细胞视锥细胞在低水平照明时（如夜间）起作用在高水平照明时（如白天）起作用区别黑白区别彩色对光谱中绿色部分最敏感，在远离视网膜中心处最多对光谱中黄色部分最敏感，在视网膜中部最多对极弱的刺激敏感主要在识别空间位置和要求敏锐地看物体时起作用

视网膜由视细胞组成，视细胞分为视干细胞和视锥细胞两种。它们是接收信息的主要细胞。视角和视敏度视角视敏度：指人眼对细节的感知能力，通常用被辨别物体最小间距所对应的视角的倒数表示。通常将能分辨出视角1′的视敏度定为1.0。一般人能够在2m的距离分辨2mm-20mm的间距，为我们设计界面时字符大小和间距提供了依据。9感知物体大小、相对距离和深度利用视觉影像中的线索：覆盖关系：被覆盖的物体相对较远；大小比例：一般来讲，较大的物体距离较近；对物体的熟悉度：对非常熟悉物体，人们对物体的大小在头脑中事先有一个期望和预测，因此在判断物体距离时很容易和他看到的物体的大小联系起来10感知亮度亮度是光线明亮程度的主观反映增强亮度可以提高视敏度随着亮度的增加，闪烁感也会增强。在高亮度时，光线变化低于50Hz，视觉系统就会感到闪烁在设计交互界面时，要考虑使用者对亮度和闪烁的感知，尽量避免使人疲劳的因素，创造一个舒适的交互环境。

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感知色彩人能感觉到不同的颜色，这是眼睛接受不同波长的光的结果。颜色通常用三种属性表示：色度、强度和饱和度。色度是由光的波长决定的，正常的眼睛可感受到的光谱波长为400μm-700μm。12视觉行为的整体性格式塔心理学视错觉莱亚错觉15视错觉厄任斯错觉面积大小视错觉视错觉背景错觉视错觉视错觉视错觉物体的组合方式将影响观察者的感知方式：人们总会夸大水平线而缩短垂直线。视错觉同样会影响到显示页面的对称性。人们经常把对称页面的中心看得稍微偏上些，如果页面以实际中心为基准排版设计，人们就会感到页面上部比下部分要短，影响视觉效果。在实际设计过程中，设计者就会以视觉中心为基准设计图形界面。20阅读进行交互界面设计时，文字符号的处理，特别是文字的排版和显示，也要根据人们的视觉感知特点，找出其中一些规律。阅读分为几个阶段：页面上文字的形状被人眼感知，文字被编码成相关的内部语言表示，语言在人脑中被解释成有语法和语义的单词或句子成年人阅读是通过字的特征（如字的形状）加以识别。改变字的显示方式（如用大写字母，改变字体等），会影响到阅读的速度和准确性。21阅读9～12号的标准字体（英文）更易于识别，页面的宽度在58～132mm之间阅读效果最佳。在明亮的背景下显示灰暗的文字比在灰暗的背景下显示明亮的文字更能提高人的视敏度，增强文字的可读性。22颜色模型RGB颜色模型红绿蓝黄=红+绿青=绿+蓝白=红+绿+蓝品红=红+蓝RGB三原色混合效果蓝(0,0,1)品红(1,0,1)青(0,1,1)白(1,1,1)黑(0,0,0)红(1,0,0)黄(1,1,0)绿(0,1,0)RGB立方体CMYK颜色模型（减性原色系统）蓝=白-红-绿青=白-红绿=白-红-蓝黄=白-蓝黑=白-红-绿-蓝红=白-绿-蓝品红-白-绿CMYK原色的减色效果

HSV颜色模型HSV是指Hue(色相)、Saturation(饱和度)和Value(值或明度)。设想从RGB沿立方体对角线的白色顶点向黑色顶点观察，就可以看到立方体的六边形外形。六边形边界表示色彩，水平轴表示纯度，明度沿垂直轴测量。H参数表示色彩信息，即所处的光谱颜色的位置。该参数用一角度量来表示，红、绿、蓝分别相隔120度。互补色分别相差180度。

纯度S为一比例值，范围从0到1，它表示成所选颜色的纯度和该颜色最大的纯度之间的比率。S=0时，只有灰度。

V表示色彩的明亮程度，范围从0到1。有一点要注意：它和光强度之间并没有直接的联系。听觉听觉感知传递的信息仅次于视觉，可人们一般都低估了这些信息。人的听觉可以感知大量的信息，但被视觉关注掩盖了许多。听觉所涉及的问题和视觉一样，即接受刺激，把它的特性转化为神经兴奋，并对信息进行加工，然后传递到大脑。29声音的处理声波在空气中的振动传播的特性音调与声波的频率有关，低频能产生低调的声音，高频能产生高调的声音。响度指在频率一定的情况下声波的振幅。音色与发声的材料有关，不同的乐器可以产生相同频率和振幅的声波，但音色不同。人类能够听到频率在20Hz~20kHz之间的声音，其中在1000Hz~4000Hz范围内听觉的感受性最高。500Hz以下和5000Hz以上的声音，强度很大时才能被听到。响度超过140dB（分贝）时，所引起的不再是听觉而是痛觉。人可以辨认的语音频率范围是260~5600Hz。30声音的解释听觉系统把输入分为三类：噪声和可以忽略的不重要的声音；被赋予意义的非语言声音，如动物的叫声；用来组成语言的有意义的声音。听觉系统就像视觉系统一样，利用以前的经验来解释输入。LindsayPH和NormanDA的“材料-驱动”（Data-Driven）和“概念-驱动”（Conceptually-Driven）过程。材料-驱动指的是对言语材料在感知水平上进行的加工过程，它是由下而上的分析过程。概念-驱动则是在理解水平上进行的加工过程，它是由上而下（从最高的结构概念开始）的分析过程。人类听觉系统对声音的解释可帮助设计人机交互界面中的语音界面31

触觉Touch或者Hapticperception触觉在交互中的作用是不可低估的，尤其对有能力缺陷的人，如盲人，是至关重要的触觉的感知机理与视觉和听觉的最大不同在于它的非局部性温度感受器-冷热伤害感受器-疼痛机械刺激感受器-压力实验表明，人的手指的触觉敏感度是前臂的触觉敏感度的10倍。对人身体各部位触觉敏感程度的了解有助于基于触觉的交互设备的设计。动觉的概念：对人的躯干和四肢的位置的感觉，主要由于人的关节处的感受器。

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2.认知过程与交互设计原则认知涉及到多个特定类型的过程，包括：感知和识别注意记忆学习阅读说话和聆听解题、规划、推理和决策许多认知过程是相互依赖的，一个活动可同时涉及多个不同的过程，只涉及一个过程的情况非常罕见，例如人们在选购商品时就涉及关注、感知、识别、说话、思考、决策等过程。33

注意注意就是在某个时刻，从众多可能的事物中选择一个，并把精力集中在这个事物上。注意的不同类型视觉关注听觉关注注意相关的因素目标信息的表示形式34

信息表示方法35信息的显示方式对于人们能否快速捕捉到所需的信息片断有很大的影响。分类显示的信息就比较便于人们查找。注意特点对界面设计的要求由人的关注特点，在设计人机交互界面时应做到。信息的显示应醒目，以便执行任务时使用，可使用动画图形、彩色、下划线，对条目及不同的信息进行排序，在条目之间使用间隔符等。避免在界面上安排过多的信息。尤其要谨慎使用色彩、声音和图像，人们倾向于使用过多的这类表示，而导致界面混杂，分散用户的注意力，让用户反感。朴实的界面更容易使用。36感知和识别在结合不同的媒体时，应确保用户能够理解它们表示的复合信息。在结合使用声音和动画时，需要仔细协调，合理安排它们的调用次序。在设计虚拟人物时，就应该使其唇形与所说的话同步，两者之间的微小延迟都会使人难以忍受，这类似于给外文电影配音。用户应能不费力地区别图标或其他图形表示的不同含义。声音应足够响亮而且可辨识，以便用户理解它们的含义。用户应能够理解输出的语音及其含义。文字应清晰易读，且不受背景干扰如可以在黑色或蓝色背景上使用黄色文字，但不能在白色或绿色背景上使用黄色文字。在虚拟环境中使用触觉反馈时，用户应能识别各种触觉表示的含义。例如“紧握”的触感与“按下”的触感不同。

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黄色黄色黄色黄色记忆记忆就是回忆各种知识以便采取适当的行动。记忆过程中有三个环节：识记：相当于信息的输入和编码过程，也就是使不同感官输入的信息，经过编码而成为头脑可接受的形式；保持：相当于信息的贮存，即信息在头脑中被再加工整理，使其成为有序地组织结构，以便贮存；再认和回忆：再认和回忆相当于信息的提取，编码越完善、组织越有序，提取也就越容易，反之，提取越困难。39广告词设计味道好极了———雀巢咖啡让我们做的更好———菲力普我们一直在努力———爱多牛肉哪去了———某快餐店的汉堡食品维维豆奶,欢乐开怀———维维集团我的眼里只有你———娃哈哈纯净水送礼就送脑白金———脑白金减轻记忆负担人的识别能力大于回忆能力图文界面替代命令界面安装过程的wizard回忆提示密码的提示语句41Windowxp搜索界面信息检索的两大过程：定向回忆扫描识别42交互设计原则综上所述，考虑人的记忆特点，进行交互设计时应该注意的问题有：应考虑用户的记忆能力，勿使用过于复杂的任务执行步骤。由于用户长于“识别”而短于“回忆”，所以在设计界面时，应使用菜单、图标，且它们的位置应保持一致。为用户提供多种电子信息（如文件、邮件、图像）的编码方式，并且通过颜色、标志、时间戳、图标等，帮助用户记住它们的存放位置。43问题解决问题解决的过程一般包括理解问题、制订计划、实施计划、检验结果四个步骤。要考虑做什么、有那些选择、执行某个活动会有什么结果？Eg:淘宝人的思维认知能力取决于在相关行业的经验以及对应用和技能的掌握程度。设计时应考虑在界面中隐藏着一些附加信息，专门供那些希望学习如何更有效地执行任务的用户访问。44语言处理—阅读、说话、聆听许多人认为聆听要比阅读容易得多，但学习外语时，阅读要比聆听容易。以下是三种形式的不同之处：书面语言是永久性的，而聆听是暂时性的。若第一次阅读不理解，可以再读一遍，但对于广播消息，人们则无法做到这一点。阅读比听、说更快。人们可以快速扫描书面文字，但只能逐一听取其他人所说的词语。从认知的角度来看，听要比读和说更容易。儿童尤其喜欢观看基于多媒体或Web的叙述性学习材料，而不喜欢阅读在线文字材料。书面语言往往是合乎语法的，而口头语言常常不符合语法。45阅读、说话和聆听为了弥补人在某些方面的不足，开发了易于使用的系统。语音输出系统，如适合盲人使用的文－语转换系统，可输出人工合成的语音。认知辅助系统，用于帮助有阅读、书写和语言障碍的人。研究人员已开发了许多特殊的界面以帮助这些人员。接受用户语音指令的语音识别系统，如听写式字处理系统、声控家电产品等；帮助人们学习外语的交互式课本和基于Web的材料；各种输入、输出设备，用于协助残疾人士浏览互联网、使用文字处理器和其他软件包。46阅读、说话和聆听从方便用户阅读、说话和聆听的角度，在人机界面设计时应注意：尽量减少语音菜单、命令的数目。研究表明：人们很难掌握超过三四个语音选项的菜单的使用方法，人们也很难记住含有多个部分的语音指令。应重视人工合成语音的语调，因为合成语音要比自然语音难以理解。应允许使用和自由放大文字，同时不影响格式，以方便难以阅读小字体的用户。47影响认知的因素1---情感的影响人的行为远非如此简单。情感因素会影响人的感知和认知能力。如积极的情感会使人的思考更有创造性、解决复杂问题的能力更强，而消极的情感使人的思考更加片面，还会影响其他方面的感知和认知能力；当一个人处于放松状态时，推理、判断能力会比较强，而当他紧张、受到挫折或感到害怕时，正常的推理、判断能力就会受到影响。当一个人处于积极的情感状态时，对系统中的交互设计缺陷可能不会太在意，但这决不能成为可以设计一个较差的交互系统的理由。一个差的交互系统，会反过来影响一个人的情绪，从而影响他解决问题的能力。一个好的交互系统，应该能够充分考虑人在各种情感状态下的认知特点，有针对性地进行交互的设计。避免使人产生疲劳的界面：视觉画面带来的眼睛的疲劳，反复的动作产生的身体和脑力的疲劳等；异常行为的判断：如用户快速敲击鼠标；关键动作时的有意识的提醒：真的要这样做吗？情感计算和交流48影响认知的因素2---个体的差异进行交互系统设计时还不应该忘记人是存在个性差异的。长期的，如性别、体力和智力水平；短期的，如压力和情感因素对人的影响；随时间变化的，如人的年龄等。人的个性的差异应该在进行人机交互设计时被充分考虑。明确地排除某类人作为系统的用户是极端的，如现有的强调图形界面的交互设计实际上排除了那些有视力缺陷的人，因此系统应考虑提供其他的感知通道。儿童界面的程序（金山画王）考虑针对女性的界面，老年人的界面，智障人士的用户界面特点49概念模型及对概念模型的认知概念模型：指的是一种用户能够理解的系统描述，它使用一组集成的构思和概念，描述系统做什么、如何运作、外观如何等。设计开发一个概念模型的关键过程包括两个阶段：首先是了解用户任务需求；然后选择交互方式，并决定采用何种交互形式（是使用菜单系统，还是使用语音输入，或命令式的系统）。51

概念模型的迭代开发过程一个完整的概念模型也是一步步充实起来的，可以使用各种方法，包括草拟构思；情节串联法；描述可能的场景；设计原型系统。通过不断的与用户交流，逐步完善交互系统的概念模型。52对概念模型的认知Norman提出了一个用于说明“设计概念模型”与“用户理解模型”之间关系的框架

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设计模型——设计师设想的模型，说明系统如何运作。

系统映像——系统实际上如何运作。

用户模型——用户如何理解系统的运作。几种认知概念框架

从人们不同的认知特点，讨论用户如何理解系统概念模型，它们是：思维模型信息处理模型外部认知模型分布式认知模型54思维模型用户思维模型：人们在学习和使用系统的过程中，积累了有关如何使用系统的知识，而且在一定程度上，也积累了有关系统如何工作的知识。在认知心理学中，思维模型被认为是外部世界的某些因素在人脑中的反映，掌握和运用思维模型使得人们能够进行推测和推理。思维模型牵涉到两个过程—“构建”和“运用”过程，人们既可能进行有意识的思维处理，也可能进行无意识的思维处理。55思维模型用以指导交互的重要性错误的思维模型带来错误的思维模式：使用空调调温器（受水龙头、音量控制的影响）；互联网网页浏览时的错误思维模式。56正确的思维模型的建立在理想情况下，用户开发的思维模型应与设计人员开发的概念模型相符，如何帮助用户达到这个目标是一个非常关键的问题。一个交互式系统在设计时，应该开发一个易于用户理解的系统映像，应该做到及时响应用户的输入并给出有用的反馈；提供易于理解的、直观的反馈信息。此外，一个好的交互系统还需要提供正确的信息类型以及正确的信息层次，以针对不同层次的用户，提供不同层次的系统透明度。这方面包括：有条理的、易于理解的说明合适的在线帮助和自学教程上下文相关的用户指南，即，针对不同层次的用户，解释在不同的任务阶段应如何处理各种情况57

信息处理模型人们把大脑视为一个信息处理机，信息通过一系列有序的处理阶段进、出大脑。在这些阶段中，大脑需要对思维表示（包括映像、思维模式、规则和其他形式的知识）进行各种处理（如比较和匹配）。信息处理模型的步骤58响应执行响应选择比较编码输入或刺激输出或响应信息处理模型的局限“信息处理模型”是不是正确地反应了人们日常的认知活动呢？它能否解释真实世界中的认知现象，又能否解释人们与计算机交互时的认知活动呢？有些研究人员认为，“信息处理”方法没有说服力，因为这种方法只是考虑纯粹的智能活动，把这种活动同外界的干扰源以及人工辅助物隔离开来。目前，日益被人们认同的是在认知发生的上下文中研究、分析认知过程。主要目标是分析环境中的结构如何帮助人类认知，并减轻认知负担。59外部认知模型外部认知是要解释人们在与不同外部表示相交互时涉及的认知过程。外部表示包括书本、报纸、网页、多媒体、地图、图表等。其主要目的是要详细说明在不同的认知活动、认知过程中使用不同表示的好